Вакуумные насосы: устройство, принцип работы, разновидности

Вакуумная техника применяется в разных областях: от медицины до машиностроения. Ключевое звено в таких системах — вакуумный насос. Он обеспечивает откачку воздуха или газа из замкнутого пространства. Это оборудование помогает создать условия, при которых давление становится значительно ниже атмосферного. За счет этого становится возможной работа оборудования, требующего специфической среды.

Устройство и принцип работы вакуумного насоса

Основная задача агрегата — удалить воздух или газы из герметичного объема. Конструкция зависит от типа оборудования. В общем виде, насос состоит из камеры с поршнем или ротором, впускного и выпускного каналов, клапанов. Некоторые устройства требуют охлаждения, смазки или использования рабочих жидкостей. Это влияет на условия эксплуатации и обслуживание.

Принцип вакуумного насоса основан на последовательном увеличении давления внутри рабочей камеры. Сначала газ поступает через входной патрубок. Затем рабочий элемент (например, лопасть, диафрагма или спираль) перемещает его к выходу. Давление при этом постепенно увеличивается, соответственно, газ сжимается. Сжатый воздух выходит через выходной клапан. Итогом становится частичный или глубокий вакуум в обрабатываемом объеме.

Классификация вакуумных насосов

Все вакуумные аппараты можно условно разделить по нескольким признакам. Такой подход помогает точно подобрать оборудование под конкретную задачу.

По наличию масла в системе

Существуют маслозаполненные, маслосмазываемые, сухие устройства. В первом случае в камеру откачки заливается масло — оно помогает стабилизировать работу, повысить герметичность. Вторая группа использует масло частично — только для уплотнения и охлаждения. Это облегчает эксплуатацию, продлевает срок службы. Сухие агрегаты работают без масла. Их применяют в условиях, где попадание смазки в поток недопустимо. Однако принцип работы остается схожим: давление повышается за счет уменьшения рабочего объема камеры.

По степени защищённости корпуса

Здесь различают обычные и взрывозащищённые устройства. Последние предназначены для работы в потенциально опасных зонах — например, на химических или нефтеперерабатывающих предприятиях. Корпус таких агрегатов выполнен с учетом требований к герметичности и устойчивости к внешнему воздействию.

По устойчивости к агрессивным средам

Если техника контактирует с парами кислот, щелочей или растворителей, стоит выбирать химически стойкие модели. Их проточная часть выполнена из материалов, устойчивых к коррозии. Например, из нержавеющей стали. Стандартные устройства подойдут для нейтральных сред. Они дешевле и показывают хорошую производительность в базовых условиях.

По уровню производительности и степени вакуума

Этот критерий определяет, какой тип оборудования выбрать: вакуумный или форвакуумный. Первые достигают глубокого разрежения и применяются в технологических процессах, где требуется почти полное удаление воздуха. Вторые обеспечивают начальную откачку и могут работать в связке с бустерными или вторичными системами.

Типы насосов в зависимости от конструкции

Конструктивные отличия определяют работу вакуумника. Устройства делят на механические, мембранные, струйные. Каждый тип подходит под определенные задачи и режимы эксплуатации.

Механические модели работают за счёт вращения ротора, поршня или лопастей. Газ попадает в камеру, перемещается и вытесняется через выходной патрубок. Такие системы просты, надежны и подходят для большинства промышленных задач. Они часто используются как форвакуумные агрегаты в составе сложных установок.

Мембранные модели работают иначе. Внутри корпуса находится гибкая мембрана, которая двигается и создает разрежение. Основное преимущество — отсутствие контакта газа с подвижными металлическими частями. Это снижает риск загрязнения и делает мембранные решения удобными для работы с химически активными веществами. Особенно часто их применяют в лабораториях и фармацевтике.

Струйные системы создают вакуум за счет быстрого потока жидкости или пара. Откачка происходит за счет инжекции. Конструкция проста, но требует стабильного источника струи. Применяются там, где важна стойкость к загрязнениям или агрессивным компонентам.

Форвакуумные насосы: классификация существующих модификаций

Форвакуумные модели используют для начальной откачки. Их задача — снизить давление до уровня, при котором можно подключать бустерные или вторичные агрегаты. Такие форвакуумники — первый этап в системе создания разрежения. От их стабильной работы зависит эффективность всей установки.

Особенности маслозаполненных ротационных лопастных устройств

Эта категория — одна из самых распространённых. Внутри находится ротор с подвижными лопастями. При вращении создаётся зона пониженного давления, через которую газ поступает в рабочую камеру. Лопасти скользят по внутренней поверхности, постоянно сжимая откачиваемый поток.

В камеру заливается масло. Оно выполняет сразу несколько функций: герметизирует зазоры, охлаждает и смазывает подвижные части. Такой форвакуумный насос, принцип работы которого связан с масляной средой, отличается стабильностью, высокой производительностью. Подходит для систем с непрерывной нагрузкой.

Главное ограничение — непригодность для среды с загрязнённым или агрессивным газом, если нет фильтров. Также возможна необходимость замены масла после продолжительной эксплуатации.

Водокольцевые насосы

Принцип основан на вращении рабочего колеса внутри корпуса, частично заполненного жидкостью — чаще всего водой. При вращении создаётся кольцо, которое вытесняет газ из рабочей камеры. Агрегат стабильно работает в условиях, где присутствует влага или загрязнённый воздух. Он не боится пара, твердых включений, отличается долговечностью.

Его выбирают для химических, пищевых, фармацевтических производств. Дополнительное преимущество — отсутствие необходимости в масляной смазке. Такой тип особенно удобен там, где важна экологичность и простое техническое обслуживание.

Диафрагменные насосы

Внутри размещена эластичная мембрана, которая движется за счёт механического привода. Мембрана сжимает камеру, вытесняя воздух. Такой тип форвакуумного насоса подходит для лабораторий, особенно при работе с парами растворителей или химически активными веществами.

Отсутствие масла в конструкции исключает риск загрязнения среды. Это делает диафрагменные модели удобными для точных и чувствительных процессов. Принцип построен на изолированной подвижной части, что минимизирует контакт с внешними элементами.

Спиральный насос

Отличается стабильной и быстрой работой. Он способен за короткое время создать нужное разрежение, что особенно важно при запуске вакуумных систем. Основу конструкции составляют две спирали: одна закреплена, вторая вращается. Их взаимодействие формирует небольшие замкнутые полости, которые при движении сжимаются. Это увеличивает давление газа и улучшает коэффициент сжатия.

Спиральные агрегаты не требуют масла. Они работают тихо, потребляют мало энергии и подходят для чистых процессов. Например, для аналитических лабораторий или полупроводниковой промышленности.

Дожимные (бустерные) насосы: классификация и принцип работы

Бустерный вакуумный насос, или дожимной, работает в связке с форвакуумным и высоковакуумным оборудованием. Его задача — повысить давление до уровня, необходимого для эффективной работы основной установки. Он не заменяет основной агрегат, а дополняет его, повышая стабильность и производительность всей системы.

Принцип действия построен на механическом захвате газа и его перемещении в сторону нагнетательного канала. При этом давление на выходе значительно выше, чем на входе. Аппарат забирает поток с пониженным давлением и выдает его на следующую ступень — в более сжатом виде. За счет этого сокращается общее время откачки и снижается нагрузка на основное оборудование.

Среди бустерных решений выделяют несколько основных конструкций:

• Объемные насосы Рутса — оснащены двумя синхронно вращающимися роторами. Подходят для перекачки газа, включая загрязненные и химически активные среды.
• Модели типа 2НВБМ — применяются в системах средней мощности: в сушильных установках, водоотведении, при производстве чистой воды.
• Паромасляные модели — предназначены для процессов с высокой степенью влажности. Часто используются при вакуумной сушке, пропитке.

Конструктивно бустерный вакуумник включает корпус, рабочее колесо, вал, подшипники, уплотнения, патрубки, электропривод, систему управления. Дополнительно могут применяться охлаждающие блоки, фильтры, датчики, виброопоры.

Вторичные (высоковакуумные) насосы

Применяются там, где требуется создать глубокий разрежённый объем — ниже того, что могут обеспечить форвакуумные или дожимные устройства. Они подключаются к системе после предварительной откачки и работают в условиях уже пониженного давления.

Принцип работы таких установок основан на более тонких механизмах — здесь задействуются физические явления, которые неэффективны при атмосферном давлении. К ним относятся молекулярная диффузия, испарение и ионизация газа. В зависимости от типа, может использоваться магнитное поле, высокочастотный разряд или высокая скорость вращения.

Области применения высоковакуумных решений — научные лаборатории, металлургия, плазменная обработка, вакуумное напыление, аналитические приборы. Под каждый процесс подбирается свой тип оборудования с нужными параметрами откачки, допустимыми условиями эксплуатации.